纳米三坐标测量机不确定度分析与精度设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com2006年8月重庆大学学报(自然科学版)Aug．2006第29卷第8期JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition)Vo1．29No．8文章编号：1000—582X(2006)08—0082—05纳米三坐标测量机不确定度分析与精度设计杨洪涛，费业泰，陈晓怀(1．合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009；2．安徽理工大学机械工程系，安徽淮南232001)摘要：利用现代精度设计理念设计纳米三坐标测量机的结构，选用高精

2、度的零部件进行组装，解决了传统阿贝误差问题，通过研究现代精度保障理论和技术，进行纳米级水平的误差源全面分析，推导各个不确定度分量的计算公式，根据给定的精度指标设计合理的精度，提出所需检定仪器的具体技术指标，精度设计的结果满足了纳米三坐标测量机的测量精度要求．关键词：纳米三坐标测量机；阿贝误差全误差源分析；不确定度；精度设计中图分类号：TG8；TH7文献标识码：A纳米技术所涵盖的尺寸范围从0．1—100nm，在单轴不确定度为10nm．10nm以下(或称深纳米)大多为科学领域的前沿研1Nano—CMM的工作原理和结构究，如原子排列、分

3、子结构等．而在10—100nm之间(或称微纳米)，有广大的纳米工程技术可探索的空Nano·CMM的工作原理与一般三坐标测量机相间，如纳米碳管、MEMS组件、光通讯组件等．一般而似，以正交坐标系作为基础，可以实现微纳米级三维内言，科学家们所称的纳米测量技术仍局限于使用纳米外尺寸及表面形貌测量．其结构如图1和图2所示，由级扫描探针显微镜实现的深纳米一维测量．而目前迅机台、工作平台、精密滑动导轨、压电陶瓷线性马达和速发展的微器件的几何特征尺寸，多集中于介观范围二维平面光栅尺、z轴和测头组成．测量时z轴带动测(数毫米至数微米)，精度参数多

4、为微纳米数量级(数头在Z向上下移动进行瞄准，、l，方向的定位是由纳微米至10nm)，如微齿轮、微透镜、光开关等．对于这米二维定位平台进行、l，方向移动实现瞄准定位．机些微小的测量对象，现有工业级的三坐标测量机存在台采用了新型四面对称式结构，具有结构简单、力平衡以下几个主要缺点：体积过大、仅有微米级测量精度、及热平衡的特点，可以使机台变形引起的测量误差达测量范围过大难以实现纳米级的分辨率、探头直径过大和测量力过大，因此近年来精度达纳米级且体积微型化的三维测量设备的研制受到世界各国的重视，如美国NIST的分子测量机(MMM)⋯、13本

5、东京大学的Nano．CMM_2和台湾大学精密测量实验室的纳米三坐标测量机等．笔者介绍的纳米三坐标测量机(简称Nano．CMM)是国家自然科学基金重大国际合作项目，它是在考虑共平面设计、机械结构设计的力平衡以及热平衡等精度设计理论的基础上对纳米三维测量机的机台、纳米级二维定位平台和z轴的结构进行设计，通过研究现代精度保障理论与技术实现测量机的低成本和图1纳米三坐标测量机结构图纳米级高精度，其测量范围为25inn×25inn×10inn，收稿日期：2006—03—12基金项目：国家自然科学基金重大国际合作研究项目(5042012013

6、4)作者简介：杨洪涛(1972一)，男，福建莆田人，合肥工业大学副教授，博士生，主要从事纳米三维测量系统精度设计与误差修正、精密测试技术的研究．维普资讯http://www.cqvip.com第29卷第8期杨洪涛，等：纳米三坐标测量机不确定度分析与精度设计83Y向PZT工作平台测得，z向移动的距离由z轴内部的一维光栅测得，从而获得被测点的三维坐标值．整台测量机放置在控温精度为0．05clC的恒温箱内进行测量，机台桥架、工作平台、精密滑动导轨和z轴由低热膨胀系数材料鲴钢(InvarStee1)制作，机台台面为花岗岩制作．2纳米三坐标

7、测量机的不确定度分析Nano．CMM的纳米级精度高于常规水平2～3个数量级，因此必须对其不确定度来源进行纳米级全面T分析，对各个不确定度来源进行合理的精度设计．Nano—CMM的测量精度取决于许多因素的交互影响，如标准量误差、阿贝误差、导轨线值误差、导轨垂直度误差、热变形误差、测头瞄准误差、动态误差、软件误差等】，因此必须对这些不确定度来源进行全面的分析．2．1标准量误差纳米级二维定位平台由二维平面光栅和压电陶瓷马达组成闭环定位系统进行精确定位，因此标准量光栅的示值误差成为测量机定位误差的主要来源．二维平面光栅实现、y方向测量，所

8、以标准量误差引起的图2二维定位平台结构图不确定度分为2部分：向不确定度()和y向不到最小．机台外部用轻质材料装饰成能映射中国古代确定度．(Y)测头在z向移动距离由一维光栅测得，宫殿的造型，使其具有独特的中国风格．工作平台、压同样一维标准量光栅的示值